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如何用QUBE-Servo 2進行項目學習(PBL)

2021-01-21

Michel Levis應用工程師

7年前首次發布以來,我們的QUBE-Servo 2(便攜式旋轉伺服)發布以來,被全世界各大高校廣泛應用。它的標準模塊以及符合ABET標準的配套課程設計,讓老師們輕松并順利完成控制專業課程的標準實驗。同時,由于QUBE的靈活性和開放結構,很多高校也在用它完成PBL(基于項目的學習)的實驗教學,用于鼓勵學生創新,培養學生復雜系統思考的能力。

我們的應用工程師Michel Levis在下面這篇文章中,與我們分享了如何基于QUBE設計一門融入機械設計、視覺、控制、通信等學科內容的PBL實驗教學,整個實驗設計完成后,教師可以根據教學內容的深淺,進行具體實驗內容的設計,從而讓這門實驗課程覆蓋到大學四年不同階段的要求,乃至研究生教學。


附有慣性盤和倒立擺模塊的QUBE-Servo 2


項目概述

為了驗證以上觀點,我決定為QUBE-Servo 2開發一個經典的球桿項目。從控制的角度來看,使用電機控制球在桿上保持平衡會帶來一系列前所未有的挑戰。該項目允許學生設計自己的桿,并使用攝像頭實現基于視覺的球桿控制(原理圖和實際模型如下所示)。我設計的系統由直接安裝在直流電機輪轂上3D打印的L形桿和標準的乒乓球組成,但設計過程中,學生和老師可以使用不同類型的桿和球。



球桿系統的原理圖及實際模型

本項目所涉及的各個任務高層視圖如下所示。它包括桿組件的機械設計,實現球桿平衡的控制方案,以及圖像處理。


項目總覽

球桿控制回路如下圖所示。球的位置使用攝像頭、圖像采集和處理軟件工具(例如:QUARC中的Video Capture模塊)進行測量。外環:球的位置控制器,根據測量出的球的位置,計算出將球穩定在期望位置所需的伺服角度;內環:伺服位置控制器,根據編碼器測量的當前電流角度,施加跟蹤球位置所需的伺服角度電壓。


球桿控制回路


現代機電一體化系統設計方法

機電一體化系統是一種集成傳感器、執行器、計算能力和通信協議的智能系統。例如,無人機是機電一體化系統。它具有一個帶IMU傳感器的板載處理器和執行器。


現代機電一體化系統組件

基于上述定義,我們認為球桿系統也是一個機電一體化系統,因為它包含以下組件:

傳感器:QUBE-Servo 2 編碼器和球的位置傳感器(例如:攝像頭)

執行器:QUBE-Servo 2 直流電機

計算:在 電腦、筆記本電腦、數據處理器上運行控制器

通信:QUBE-Servo 2 USB數據采集(DAQ)設備

完成項目所需的軟件資源可分為三組:控制平臺、工具箱和基礎模塊。



軟件定義

為了適用于不同知識水平的學生(本科生和研究生),老師可以選擇提供什么,下面是一個示例細分:


級別1

本科大一或大二

●提供完整控制器支持

●進行調優或測試,無需設計


級別2


本科大三或大四

●提供軟件工具箱支持

●使用工具箱設計控制器

級別3

研究生或高級本科項目

●提供基礎模塊

●根據基礎模塊設計控制器












       例如,如果使用 MATLAB/SimulinkQUARC 實現此項目,則根據預期級別,學生可以執行以下操作:

級別1:提供完整的Simulink 模型(即控制器)。學生將測試模型并調優值。無需進行重大設計修改。

級別2:老師提供包括軟件子系統的Simulink 庫(即工具箱)。學生使用庫中預定義的 Simulink 子系統模塊來設計任務。

級別3:老師可能會為某些任務提供一些組件,但在大多數情況下,學生需要自己會使用基礎模塊。學生需要根據“Fundamentals”QUARC Targets庫中的Simulink模塊設計控制器。


為了幫助老師實施此項目,我們整合了以下資源:

教師指南:Excel 電子表格,詳細說明了三個不同級別的項目中每個任務的文檔和軟件。

●PPT:完成整個控制設計和實現過程,老師們可以決定使用哪些幻燈片與學生共享或用作教學。

控制器:MATLAB 腳本、Simulink 模型和 Simulink 庫。這些文件分為設計調優類型文件。設計文件使用基礎模塊,在這種情況下,基礎模塊是Simulink模塊和QUARC中的 Target模塊,調優文件使用組件或預制的Simulink庫。

視頻:說明性視頻,演示設計過程的所有步驟。

老師們可以使用“教師指南”電子表格,根據他們的經驗決定提供給學生的文件。例如,如果該項目是由僅學習一門控制系統課程的大三學生完成的,老師可以選擇為學生提供不同的組件(Simulink庫)以完成與伺服運動控制和球桿系統相關的任務。

目前已經有Quanser用戶完成了類似類型的項目,例如NYIT(請參見下文)。此項目添加到現有課程的實驗室中,被指定為最后一年的團隊項目,用于課程"沖刺"等。


如何獲得訪問權限?

這是一個非常靈活的以項目為基礎設計挑戰,可以針對具有不同經驗水平和背景的學生進行擴展。它可以添加到現有課程的實驗室中,分配為最后一年的團隊項目,在課程"沖刺"中使用等等。

如果您有興趣運行此項目或了解可用項目,請通過:info@quanser.com vivian.wang@quanser.com 聯系我們,主題為" QUBE-Servo 2 Ball and Beam Design Project"。我們的Quanser工程師將與您聯系,并向您展示如何開始使用。

我們還有一個"快速入門"版本,允許您運行完整的控制器,并看看它是否適合您的課程。硬件和軟件要求如下。

硬件/軟件要求

●MATLAB/Simulink

●QUARC基礎版

●QUBE-Servo 2

攝像頭

球桿(例如:帶有乒乓球的3D打印連桿)


關于 NYIT 球桿項目

這個基于項目的學習方法首先由紐約理工學院(NYIT)電氣和計算機工程系副教授 Ziqian (Cecilia) Dong 2011年和2012年春季完成的,用于EENG 491大四設計項目。

本科四年級學生通過使用旋轉伺服基礎單元、球桿系統以及QUARC 實時控制軟件進行控制系統的設計和實現。學生們幾乎沒有控制系統的經驗,甚至許多人從未使用過MATLAB /Simulink。在學習了控制系統的設計和實現之后,他們使用不同的球位置傳感技術設計了他們自己的2 DOF球平衡器系統。有關更多詳細信息,請參閱Prof. Dong及其伙伴在2012ASEE年度會議上提交的論文,題為" AC 2012-2956: Infusing the Curriculumwith Cutting Edge Technologies through Partnerships with Industry"

原文鏈接:https://mp.weixin.qq.com/s/CeuoD8LFC1CJdrK3Q7sDwg


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